城市热岛对居民健康影响的空间演化过程

2021-10-12黄焕春杨海林邓鑫陈图农贾琦

遥感信息 2021年4期

黄焕春，杨海林，邓鑫，陈图农，贾琦

(1.南京林业大学风景园林学院，南京 210037；2.南京医科大学附属脑科医院，南京 210029；3.郑州轻工业大学环境设计系，郑州 450002)

0 引言

随着全球气候变暖与极端天气事件频发[1]，对人类健康带来了一系列的影响，特别是对城市居民的影响尤为严重。预计到2050年，全世界将有62.52亿人生活在城市，约占世界人口的68%[2]。其中，由于气候变暖和城市热岛(urban heat island，UHI)叠加导致的温度升高对城市居民健康危害极大，直接或间接的影响增加了多种疾病的发病和死亡，严重危及人类健康。对中国272个城市2013—2015年的不同疾病死亡率的研究发现，由于气温导致的呼吸系统疾病(J00-J99)和心血管疾病(I00-I99)死亡的归因风险分别为10.57%和17.48%[3]。温度升高会显著降低幸福感，与10～16 ℃范围内的温度相比，温度高于21 ℃时可减少积极情绪，增加负面情绪以及疲劳[4]。2016年，中国政府推出《“健康中国2030”规划纲要》，将健康中国确定为国家战略，提出实施健康城市、健康村镇的规划建设，划定环境健康高风险区域，开展环境污染对人群健康影响的评价，探究建立高风险区域重点项目健康风险评估制度[5]。如何识别城市微气候的危害，进而优化绿地空间系统等布局，是当前研究的重点。

城市景观格局的时空分异特性在一定程度上形成了城市热岛效应，对其形成数量-质量-多维驱动的影响。城市热岛研究，以往集中于城市的空间分布特征、景观格局指数变化[6-7]，未深入研究分析其对城市居民的健康影响。城市微气候是城市热岛效应与全球气候变化相互叠加的结果[8-9]，与城市景观格局结构相结合，不仅影响舒适度，同时对居民的呼吸系统、心血管、精神状态等产生影响。目前仅有特大城市热岛对人体舒适度[10]和呼吸系统疾病[11]的典型时空格局影响研究，且侧重于生理舒适感或呼吸系统疾病等单因子，缺乏具有代表性疾病健康空间格局研究，需要进一步深入考虑热岛的生理与心理的综合健康危害，才能评估城市不同空间位置的健康风险。因此，如何科学评价城市热岛对不同城市空间的居民健康影响，探索城市化过程中健康风险评估的城市内部空间演变特征，成为重要的理论与实践的科学问题。

本文以北京市为例，采用气象站点、卫星影像、天地图等数据，利用ArcGIS、遥感、数值分析技术，以呼吸系统疾病、心血管疾病和情绪健康三种疾病为指示，评价分析城市热环境变化对健康的综合影响，为城市绿地系统的规划改善措施的提出、城市热环境的缓解和居民身心健康的提高提供前期基础研究。

1 研究方法

1.1 数据收集与处理

本研究选取1984、1991、1999、2017年Landsat卫星影像，影像拍摄前两天内平均风速均小于2.3 m/s，一天内均无降水。成像时刻研究区域无云遮盖，大气能见度优，成像条件较佳。气象数据主要通过北京195个气象站点和3个流动观测站点获得，气象站点均放置在周围建筑、植被、硬化地面、人工设施对热岛干扰较小的观测点。

首先，将遥感影像、城市规划专题图进行配准和几何精校正，将误差控制在一个像元内；然后，将气象站点数据、天地图数据等，统一投影到WGS-1984-UTM-50N坐标系中保持数据的一致性；最后，利用ArcGIS软件建立数据库，对不同时期的数据进行空间叠加与提取分析。

1.2 健康影响评价

根据温度对身心健康的影响，本文选择三种指示性疾病，根据《国际疾病分类》第十版(ICD-10)选择分析影响最明显的呼吸系统疾病(J00-J99)、心血管疾病(I00-I99)和精神健康。其中精神健康采用涉及普通人群的情绪健康作为影响因子。城市热岛对人体健康的影响，采用严格的疾控中心分析数据和人体生理学意义的分级标准，保证分析的准确性。

1)呼吸系统疾病影响等级划分。城市温度变化会导致体温调节机制暂时发生障碍，体内热蓄积，引发呼吸系统疾病；极端温度下会导致病毒的活力增高，加剧呼吸系统疾病的发病或死亡[12]。本研究以日平均温度31 ℃作为城市热岛对北京呼吸系统疾病影响的阈值温度，温度每增加1 ℃，呼吸系统疾病死亡率增加25.3%[13]，故将城市热岛对呼吸系统死亡率的影响划分为十个等级(表1)。

表1 城市热岛对呼吸系统疾病死亡率、人体生理反应的影响等级划分

2)情绪健康影响等级划分。随着城市热岛效应增强，高温热浪灾害频繁发生，给城市居民带来了直接和间接的心理健康危害。依据文献[14]和本团队2019年7—8月的386份有效问卷的分析结果，得出夏季高温对负向情绪因子的影响随着曲线及其关键温度阈值而变化。本研究以日平均温度28 ℃作为城市热岛对北京情绪健康影响的阈值温度，将城市热岛对情绪健康的影响划分为十个等级(表2)。

表2 城市热岛对情绪健康的影响等级划分

3)心血管疾病影响等级划分。高温主要通过影响机体心脏功能，包括血压、血液粘度、血胆固醇和心率，增加心血管疾病死亡率[15]。随着气温升高，机体心率加快，心肌耗氧量增加，同时血液会从脏器加快扩散到皮肤表面，加重心脏和肺部负担，增加心血管疾病发病率[16]。以日平均温度28 ℃作为城市热岛对北京心血管疾病影响的阈值温度，阈值温度每增加1 ℃，死亡率增加7.2%[17]，故将城市热岛对心血管疾病死亡率的影响划分为十个等级(表3)。

表3 城市热岛对心血管疾病死亡率、人体生理反应的影响等级划分

1.3 气温反演

本研究采用大气校正法反演地表温度。首先，依据NASA的数据使用手册(landsat.usgs.gov/documents)，进行辐射定标；然后，计算植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)及植被覆盖度。采用覃志豪等[18]提出的比辐射率计算方法计算地表比辐射率。最后，计算出地表温度，如式(1)所示。

(1)

城市地表温度与上空一定距离的大气温度有协同变化的规律，地表温度与近地面1.5 m大气温度也有着密切的关系。利用MATLAB软件，将地表温度、NDVI与日平均气温建立关系，发现具有较好的线性关系。拟合后的回归方程如式(2)所示。

TA=4.31+0.167 9TL-0.174 7y

(2)

式中：TA为日平均气温；TL为地表温度；y为NDVI。回归方程具有很好的鲁棒性，R2为0.95，RMSE 为0.13。

1.4 层次分析法

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个准则或目标，进行分解为多影响因子或多指标的若干层次，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对于上一层次某元素的优先权重，采用加和的方法求出各层次对目标的影响，最终权重最大者为最优方案[19]。层次分析法是目前评价多层次、多因素影响系统的常用方法[20]。该方法适用于本文构建综合气候健康影响图。

采用ArcGIS软件对呼吸系统疾病、心血管疾病、情绪健康三种影响因子进行综合分析，根据各因子对城市热环境健康的影响确定其权重，最后通过叠加分析得出城市热环境健康气候影响图。计算如式(3)所示。

(3)

式中：S为综合气候健康影响评价指数；Wi为第i种评价因子的权重；Xi为第i种评价因子的得分(无量纲)；n为参与评价的因子数量。

1.5 研究区域

北京市位于华北平原北部，属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候地带，夏季高温多雨，冬季干燥寒冷，年平均气温为13.6 ℃。2019年末全市常住人口为2 153.6万人，城镇人口为1 865万人，城镇化率达到86.6%。

北京市作为中国的首都、直辖市，是京津冀城市群中心城市，居中国百强城市、中国城市综合发展指标、国家中心城市指数、城市产业竞争力指数第一位[21]。作为国际化大都市，在过去三十年间城镇化进程一直保持高效状态，由此产生的热岛效应和健康空间影响变化具有典型代表性。因此，本文选取北京市六环以内为研究区域，总面积2 267 km2，如图1所示。

注：该图基于北京市规划和自然资源委员会网站下载的审图号为京S(2019)032号的标准地图制作，底图无修改。图1 研究区域

2 结果分析

2.1 热岛健康危害分析

1)呼吸系统疾病风险分析。依据城市热岛对呼吸系统疾病影响划分标准，评价1984—2017年四个时期的影响(图2、表4)。结果表明，北京市热岛对呼吸系统疾病的影响面积呈现迅速发展态势，影响等级不断增大，高影响等级面积不断扩张。1984—1991年呼吸系统疾病受影响等级主要是等级1～等级2。1999—2017年受影响等级由等级1～等级3升高到等级4～等级6。由城市中心区向外围逐步扩大，具有中心城区集中、外围呈组团分布的空间特征。

注：该图基于北京市规划和自然资源委员会网站下载的审图号为京S(2019)032号的标准地图制作，底图无修改。图2 1984—2017年城市热岛对呼吸系统疾病的影响等级分布

表4 城市热岛对呼吸系统疾病的影响面积大小

2)情绪健康风险分析。依据城市热岛对情绪健康的影响划分标准，评价1984—2017年四个时期的城市空间影响(图3、表5)。结果表明，北京市热岛对情绪健康的影响呈恶化趋势，影响等级不断增大，高影响等级面积不断扩大。1984—1991年情绪健康影响等级主要是等级4～等级5。1999—2017年受影响等级由等级4～等级5升高到等级5～等级7。由城市中心区向外围逐步扩大，高等级影响区在中心城区呈大面积的斑块集中，外围呈密度的小斑块集中分布。

注：该图基于北京市规划和自然资源委员会网站下载的审图号为京S(2019)032号的标准地图制作，底图无修改。图3 1984—2017年城市热岛对情绪健康的影响等级分布

3)心血管疾病风险分析。依据城市热岛对心血管疾病的影响划分标准，评价1984—2017年四个时期的城市空间影响(图4、表6)。结果表明，北京市热岛对情绪健康的影响面积迅速扩大，但影响等级略有上升。1984—1999年心血管疾病的影响等级主要是等级6～等级7，且主要分布在城市中心区域。2017年受影响等级略升高到等级7～等级8。由城市中心区向外围逐步扩大，高等级影响区在中心城区集中，外围呈较大面积的斑块集中分布。

表5 城市热岛对情绪健康的影响面积大小

注：该图基于北京市规划和自然资源委员会网站下载的审图号为京S(2019)032号的标准地图制作，底图无修改。图4 1984—2017年城市热岛对心血管疾病的影响等级分布

表6 城市热岛对心血管疾病的影响面积大小

4)综合气候健康影响分析。将呼吸系统疾病(0.18)、心血管疾病(0.12)、情绪(0.70)三种影响因子进行叠加，生成1984—2017年城市热环境健康气候影响图(图5)。结果表明，影响区域总体呈风扇状，严重危害区总体较为稳定，健康危害较大的位于东西城区；危害较小的位于房山区、顺义区周边的奥林匹克公园、北京园博园、圆明园等公园周边。其中，危害较低的等级1、等级2、等级3呈破碎化趋势，且面积有所减小；危害较高的等级7、等级8、等级9、等级10在中心城区不断集聚，逐渐向周边地区蔓延，影响面积不断增大。总体上来看，随着城市化进程的发展，带来一系列生态环境问题，城市热环境对居民健康的影响程度不断加重，影响区域持续扩张。

注：该图基于北京市规划和自然资源委员会网站下载的审图号为京S(2019)032号的标准地图制作，底图无修改。图5 1984—2017年城市热环境健康气候影响

2.2 景观格局指数分析

景观格局指数包括斑块水平、类型水平和景观水平三种类型。其中，类型水平的指数用于分析各类型斑块的数量和结构；景观水平指数用于描述研究区域的全局特征。根据本文的研究区特性，在类型水平上选择斑块密度(patch density，PD)、连通性(connectance index，CONNECT)指数，选取景观水平中的多样性(shannon’s diversity index，SHDI)、蔓延度(contagion index，CONTAG)指数。

1)景观格局的类型水平变化。PD指数是描述斑块破碎化的指标。1984—2017年PD指数变化如表7所示，总体呈上升态势，说明三种指示疾病和综合气候健康指数的各等级影响区破碎化明显，在城市空间中呈分散式分布，分布更加扩散、均匀。1999—2017年，各等级影响区破碎化加剧，主要与高密度城市开发和绿地公园建设密切相关。城市的片区组团开发形成了新的健康高危害区，绿地公园建设形成的冷源有利于打破大面积的热岛聚集区域，从而改善了城市热岛对居民健康的影响。

表7 1984—2017年斑块密度指数变化

1984—2017年CONNECT指数变化如表8所示，指标数值偏低，且总体呈下降态势，说明斑块连通度较低，断裂不成系统。但三种指示疾病及综合气候健康指标的低等级影响区的数值相对较大，连通性偏高，呈集聚状态。中等级影响先下降后上升，说明在1984—1999年空间分布上较为分散，在1999—2017年开始集聚。在2017年出现高影响区，但其连通性较小，城市热岛对三种指示疾病的影响较为严重的区域呈点状式分布。

表8 1984—2017年连通性指数变化

2)景观格局的景观水平变化。1984—2017年，多样性SHDI指数变化如图6所示。1984—1991年略有下降，1991—1999年呈现小幅上升，1999—2017年明显上升，总体均呈上升态势。这表明城市热岛对三种疾病的影响的复杂程度不断增加，斑块类型丰富，破碎化程度增高。由于北京在城市化建成区的迅速扩张，受影响区面积显著增大，并出现了新的高等级影响区，在空间上分布范围更加广泛，不同等级的影响区逐渐向整个城区扩张。

图6 1984—2017年多样性指数变化曲线

CONTAG指数，是表征景观整体的凝聚程度。1984—2017年的CONTAG的指标变化如图7所示，指标总体下降明显，表明景观的破碎化程度较高，影响区内部的连通性下降，各等级影响区由城市中心向外围郊区不断扩散。

图7 1984—2017年蔓延度指数变化曲线

3 讨论

本研究选择呼吸系统疾病、心血管疾病和情绪健康三种指示类型疾病，对城市热岛的健康影响的动态变化进行研究，能反映空间过程的演变特征。研究表明，北京市热岛对呼吸系统疾病、心血管疾病和情绪健康的影响在空间分布上具有较强的异质性特征。随着城市化发展，热岛强度不断升高，城市建成区热环境不断恶化，严重影响居民身心健康。多项研究表明，夏季高温与各种疾病死亡率以及情绪健康仍然存在高度相关性[22-23]，所以优化城市绿地系统格局，减少夏季高温暴露，进一步提高居民生活健康，对健康城市规划与建设具有一定的案例研究支撑作用。

以往研究显示，高温对呼吸系统疾病、心血管疾病的发病率和死亡率以及情绪健康具有一定的影响。Almeida等对波尔图和里斯本温暖季节(4—9月)死亡率与气温的相关关系的研究中发现，两地全死因死亡率随着日最高温每升高1 ℃分别上升3%(95%CI：2.0%～3.9%)和5.6%(95%CI：4.6%～6.6%)[24]。热暴露可能通过引起热应激和衰竭或者热敏生理过程进而降低情绪健康，增加自杀率，减少生活满意度[25]。随着热岛强度的增大，城市热岛对三种指示疾病的影响不断加剧。2017年前后北京市城市化进程发展迅速，六环内气温持续升高，人体机能和心脏功能受到严重影响，持续高温暴露易诱发疾病，增加额外死亡率。

景观格局是热岛对健康影响的空间表征。基于景观格局分析的结果表明，城市热岛对三种指示疾病的影响在景观格局上呈破碎化趋势，低等级影响区连通性较高，呈集聚状态，高等级影响区呈组团状分布。这表明，热岛对健康的影响存在景观-格局-过程特征，与其他学者采用景观破碎化和气象因素研究发现病媒传播疾病莱姆病发病率与区域景观破碎度和温度有较明显的相关性的案例形成相互佐证[26]。这说明，采用景观格局指数研究城市热环境对疾病的影响的空间过程演变存在方法的适用性。

城区不同下垫面类型对城市热环境有着较为明显的影响，直接导致其温度区的明显高低差异，进而影响城市居民的不同类型的健康状况。研究从城市热环境的空间分异特征和健康影响标准划分的角度，分析热岛效应变化的健康影响，具有较强的理论与实践可行性。今后将继续深化研究，结合典型实证区域的城市内部景观和非城市景观分析其热岛景观特征[27]，开展精细化尺度的健康影响研究分析。